机械毕业设计（论文）-六足机器人设计（全套图纸三维） .pdf

毕业设计论文 目录 1 1 摘要摘要 本次毕业设计是关于六足机器人的设计。首先对六足机器人作了简单的概述；接着分 析了各部分元件、零件的选型原则及计算方法；然后根据这些设计准则与计算选型方法按 照给定参数要求进行选型设计；接着对所选择的各主要零部件进行了校核。本次设计由四 个主要部件组成：支撑腿升降装置、支撑腿摆动装置、支撑轮转动装置、主体钢结构。最 后简单的说明了说明书的安装与维护。 目前，六足机器人正朝着适应复杂地形、应对恶劣天气、采集多元信号的方向发展， 近年来各种特殊功能机器人。在特种机器人设计方面,目前我国与国外先进水平相比仍有较 大差距,国内在设计制造特种机器人过程中存在着很多不足。 本次六足机器人设计代表了设计的一般过程, 难免存在各种纰漏、 失误； 权当一次难得 的实践过程，希望对今后的选型设计工作有一定的参考和借鉴价值。 关键词：六足机器人；选型设计；主要部件；养护维修。 abstract this graduation design is a design of six legged robot. the first of the six legged robot is summarized; then analyzed the selection principle and calculation method of each part of components, parts; then calculated based on these design criteria and abase type design; then check the major components of the selected. finally, a simple description of theinstallationand maintenance manual.at present, six legged robot is moving to adapt to the development direction of complex terrain, bad weather, acquisition of multiple signals, in recent years a variety of special function of the robot. the design of the six legged robot represents the general process of design, will inevitably exist various flaws, mistakes; when the right to a rare practice process, want to have certain reference and reference value for the selection of the design work in the future. keyword: :six legged robot; type selection design ; main parts; maintenance and repair. 毕业设计论文 目录 2 2 目录目录 摘要 . 1 abstract 1 目录 . 2 一、绪论 . 4 二、 六足机器人设计概述 6 2.1.六足机器人的工作原理 6 三、 六足机器人的设计计算 8 3.1 已知原始数据及工作条件 . 8 3.2 计算步骤 9 3.2.1 外形尺寸的确定: 9 3.3.2 主要阻力计算 9 3.3.3 主要特种阻力计算 11 3.3.4 附加特种阻力计算 11 3.3.5 倾斜阻力计算 12 3.4 传动功率计算 12 3.4.1 走行轮功率（ a p）计算 12 3.5 传动链张力计算. 13 3.6 传动链轮最大扭矩计算 . 13 3.7 走行轮及轴 13 3.7.1 走行轮的作用及类型 14 3.7.2 轴的作用及类型 . 17 3.7.3 轴与轮的配合结构 . 22 3.8 电机的选用 . 34 3.9 减速器的选用 35 3.9.1 传动装置的传动比： 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.10 制动装置 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 毕业设计论文 目录 3 3 3.10.1 制动装置的作用 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.11 转向装置 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 四、 电气及安全保护装置 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 结论 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 全套图纸，三维加全套图纸，三维加 153893706 毕业设计论文 绪论 4 4 一、绪论一、绪论 六足机器人是连续运行的设备，在探测、抢险、侦查、负重等领域都有着闪光的表现。 在自然界和人类社会中存在一些人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场 合。如行星表面、灾难发生矿井、防灾救援和反恐斗争等，对这些危险环境进行不断地探 索和研究，寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的需要。地形 不规则和崎岖不平是这些环境的共同特点。从而使轮式机器人和履带式机器人的应用受到 限制。以往的研究表明轮式移动方式在相对平坦的地形上行驶时，具有相当的优势运动速 度迅速、平稳，结构和控制也较简单，但在不平地面上行驶时，能耗将大大增加，而在松 软地面或严重崎岖不平的地形上，车轮的作用也将严重丧失移动效率大大降低。为了改善 轮子对松软地面和不平地面的适应能力，履带式移动方式应运而生但履带式机器人在不平 地面上的机动性仍然很差行驶时机身晃动严重。与轮式、履带式移动机器人相比在崎岖不 平的路面步行机器人具有独特优越性能在这种背景下多足步行机器人的研究蓬勃发展起 来。而仿生步行机器人的出现更加显示出步行机器人的优势。 多足步行机器人的运动轨迹是一系列离散的足印运动时只需要离散的点接触地面对环 境的破坏程度也较小可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点对崎岖地形的适应性强。 正因为如此多足步行机器人对环境的破坏程度也较小。轮式和履带式机器人的则是一条条 连续的辙迹。崎岖地形中往往含有岩石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障碍物可以稳定支 撑机器人的连续路径十分有限,这意味着轮式和履带式机器人在这种地形中已经不适用。多 足步行机器人的腿部具有多个自由度使运动的灵活性大大增强。它可以通过调节腿的长度 保持身体水平也可以通过调节腿的伸展程度调整重心的位置因此不易翻倒稳定性更高。当 然多足步行机器人也存在一些不足之处。比如为使腿部协调稳定运动从机械结构设计到控 制系统算法都比较复杂相比自然界的节肢动物仿生多足步行机器人的机动性还有很大差 距。 选择六足机器人的设计作为毕业设计的选题， 能培养我们独立解决工程实际问题的能 力，通过这次毕业设计是对所学基本理论和专业知识的一次综合运用，也使我们的设计、 计算和绘图能力都得到了全面的训练。 原始参数： 毕业设计论文 绪论 5 5 1）工作环境：崎岖地面、存在高低不平的砂石路面。 2）负载能力：50kg 3) 额定功率：500w 4)最大移动速度：8m/min 5)外形尺寸：1460mm（长）x1460mm（宽）x940（高） 设计解决的问题： 熟悉六足机器人各部分的功能与作用，对主要部件进行选型设计与计算，解决在实际 使用中容易出现的问题，并大胆地进行创新设计。 毕业设计论文 六足机器人部件概述 6 6 二、六足机器人设计概述二、六足机器人设计概述 2.1.六足机器人的工作原理六足机器人的工作原理 六足机器人其主要部件是支撑腿升降装置、支撑腿摆动装置、 支撑轮转动装置、主体钢结构等。 其外形布置及工作原理如图 2- 1- 1 所示。 图 2-1-1 带式输送机简图 1-支撑腿升降装置 2-支撑腿摆动装置 3-主体钢结构 4-支撑轮转动装置 两个伺服电动缸作为支撑腿升降装置的动力源为支撑腿提供升降、步进的动力输出。两个伺服 缸的后耳环分别与伺服电动全角度转台铰接，在实现步进运动的同时为机器人提供转向帮助。支撑 轮转动装置是由伺服减速机通过链轮及链条带动转轮等组成，此装置可以实现在平整路面时无需支 撑腿做步进动作的情况下实现机器人的平面移动，为整个装置提高了更好的机动性和合理性。主体 钢结构为普通碳钢板焊接、加工而成，成本低廉，强度可靠；若应对酸、碱、高温等情况时酌情采 用特殊材质金属制作，本设计不予考虑。主体的钢结构的强度足以应付 200kg 以下的负载，在运料 及承重方面性能卓越。转动轮的材质可以选这钢制滚花或硬质橡胶，视情况而定，本次设计为钢制 滚花。提高传动装置的稳定性可以从以下方面考虑： 毕业设计论文 六足机器人部件概述 7 7 (1).严格执行图纸尺寸，配合表面确保润滑条件； (2).安装之后反复调试，确保万无一失，如果存在问题早发现早解决； (3).养护工作及时、到位，增加使用寿命及年限 毕业设计论文 致谢、参考文献 8 8 三、三、 六足机器人的设计计算六足机器人的设计计算 3.1 已知原始数据及工作条件已知原始数据及工作条件 六足机器人的设计计算，应满足下列原始数据及工作条件资料 负载：50kg 额定功率：500w 最大移动速度：8m/min 毕业设计论文 致谢、参考文献 9 9 外形尺寸：1460mm（长）x1460mm（宽）x940（高） 3.2 计算步骤计算步骤 3.2.1 外形尺寸的确定外形尺寸的确定: 由于基础条件为：1460mm（长）x1460mm（宽）x940（高）； 确定主体钢结构外形尺寸为 1000mm 等分十二边形。 3.3 走行轮驱动力 3.3.1 计算公式 走行轮上所需圆周驱动力 u f 为机器人所有阻力之和，可用式（3.3- 1）计算： 12uhnssst ffffff=+ （3.3- 1） 式中 h f 主要阻力，n； n f 附加阻力，n； 1s f 特种主要阻力，n； 2s f 特种附加阻力，n； st f 倾斜阻力，n。 五种阻力中， h f 、 n f 是所有机器人都有的，其他三类阻力，根据机器人工作类型及 工况而定，由设计者选择。 对于普通工况而言，附加阻力 n f 明显的小于主要阻力，可用简便的方式进行计算，不 会出现严重错误。，则公式变为下面的形式： 12uhssst fcffff=+ （3.3-2） 3.3.2 主要阻力计算主要阻力计算 机器人的主要阻力 h f是运行时与地面的摩擦和承载分支及回程所产生阻力的总和。 可 用式（3.4- 4）计算： 毕业设计论文 致谢、参考文献 10 10 (2)cos hrorubg fflg qqqq=+ （3.4- 4） 式中f模拟摩擦系数，根据工作条件及制造安装水平决定，一般可按表查取。 g重力加速度； ro q走行轮每米长度旋转部分重量，kg/m，用式（3.4- 5）计算 1 0 ro g q a = （3.4- 5） 其中 1 g承载分支每组走行轮旋转部分重量，kg； 0 a走行轮宽度，m； 计算： 1 0 ro g q a = 24.3 1.2 =20.25 kg/m u a回程分支托辊间距，m； 2 15.8g =kg 计算： 2 ru u g q a =15.8 3 =5.267 kg/m g q每米长度负载质量 3.6 m g iq q = = 350 60.734 3.6 1.6 = kg/m b q每米长度机身质量，kg/m， b q=9.2kg/m (2)cos hrorubg fflg qqqq=+ =0.0453009.820.25+5.267+（29.2+60.734）cos35=1379n f运行阻力系数 f 值应根据表 3- 5 选取。取f=0.045。 表 3- 5 阻力系数 f 机器人工况 f 工作条件和设备质量良好，转速低，摩擦较小 0.020.023 毕业设计论文 致谢、参考文献 11 11 工作条件和设备质量一般，转速较高，摩擦较大 0.0250.030 工作条件恶劣、设备质量较差，摩擦较高，倾斜角大 于35 0.0350.045 3.3.3 主要特种阻力计算主要特种阻力计算 主要特种阻力 1s f包括走行轮前倾的摩擦阻力f和砂石、草木间的摩擦阻力 gl f两部 分，按式（3.3- 7）计算： sl ff=+ gl f （3.3- 7） f按式（3.3- 8）计算： 0 () cossin bg fcl qqg =+ =500n （3.3-8） 3.3.4 附加特种阻力计算附加特种阻力计算 附加特种阻力 2s f包括传动滚子链摩擦阻力 r f和减速机内部摩擦阻力 a f等部分，按下 式计算： 23sra fnff=+ （3.3-9） 3r fa p = （3.3- 10） 2a fb k= （3.3- 11） 式中 3 n走行轮总数； a走行轮接触面积， 2 m p走行轮与接触面的压力，n/ 2 m，一般取为 3 44 10 10 10 n/ 2 m 3 摩擦系数，一般取为 0.50.7； 查表得：a=0.008m 2 ，取p=10 4 10n/m 2 ，取 3 =0.6，将数据带入式 （3.3- 12） 则 r f=0.00810 4 100.6=480 n 由式（3.3- 10） 则 2s f=3.5480=1680 n 毕业设计论文 致谢、参考文献 12 12 3.3.5 倾斜阻力计算倾斜阻力计算 倾斜阻力按下式计算： st f stg fqg h= （3.3- 13） 式中：因为本机器人为水平运输，所有 h=0 stg fqg h=0 由式（2.4- 2） 12uhssst fcffff=+ u f=1.121379+0+680=4425n 3.4 传动功率计算传动功率计算 3.4.1 走行轮功率（走行轮功率（ a p）计算）计算 走行轮功率（ a p）按式（3.4- 1）计算： 1000 u a f p = （3.4-1） 3.4.2 电动机功率计算电动机功率计算 电动机功率 m p，按式（3.4- 2）计算： “ a m p p = （3.4- 2） 式中传动效率，一般在 0.850.95 之间选取； 1 链传动效率； 1 =0.96； 2 减速器传动效率，按每级齿轮传动效率.为 0.98 计算； 二级减速机： 2 =0.980.98=0.96 电压降系数，一般取 0.900.95。 “ 多电机功率不平衡系数，一般取 “ 0.900.95 =:，单驱动时，“1 =。 毕业设计论文 致谢、参考文献 13 13 根据计算出的 m p值，查电动机型谱，按就大不就小原则选定电动机功率。 由式（3.5- 1） a p= 14425 1.6 1000 =412w 由式（2.5- 2） m p= 23080 0.98 (0.98 0.98 0.98) 0.95 0.95 2 =464w 选电动机型号为伺服减速机 500w，数量 6 台。 3.5 传动链张力计算传动链张力计算 传动链张力在整个长度上是变化的，影响因素很多，为保证机器人正常运行，传动链 张力必须满足以下两个条件： （1）在任何负载情况下，作用在传动链上的张力应使得全部圆周力是通过摩擦传递到 走行轮上，而两个链轮付之间保证不打滑、不脱轮； （2）作用在传动链上的张力应调节合适。 3.6 传动链轮最大扭矩计算传动链轮最大扭矩计算 单驱动时,链轮的最大扭矩 max m按式（3.6.1）计算： max 2000 u fd m = （3.6.1） 式中 d链轮的分度圆直径（mm）。 同时驱动时,传动滚筒的最大扭矩 max m按式（3.6.2）计算： 12max max () 2000 uu ffd m = （3.6.2） 分度圆直径为 71mm,则走行轮的最大扭矩为: 12max () uu ff=358n max 29.452 0.5 2 m =0.51kn/m 3.7 走行轮及轴走行轮及轴 毕业设计论文 致谢、参考文献 14 14 3.7.1 走行轮的作用及类型走行轮的作用及类型 要追溯走行轮的历史也是一件很困难的事，不过在人们发明了轮子之后，搬运和移动 物体变得容易了许多，但轮子只能在直线上运行，对于搬运重大物体时对方向的改变仍然 非常困难，后来人们就发明了带有转向结构的轮子，也就是我们所称的走行轮或万向轮。 走行轮出现给人们搬运特别是移动物体带来了划时代的革命，不仅可以轻松搬运，还可以 随任何方向移动，大大提高了效率。 到了近代随着工业革命的兴起，越来越多的设备需要移动，走行轮也就在全世界应用 越来越广泛，各行各业几乎离不开走行轮。 到了现代随着科技的不断发展，设备也越来越 多功能和高利用率，走行轮就成了不可缺少的部件。走行轮的发展也就更为专业化而成为 了一个特殊的行业。 走行轮大致分为定向走行轮与非定向走行轮。 定向走行轮没有旋转结构，不能转动；万向走行轮的结构允许 360 度旋转。 走行轮细分 超重型走行轮、特重型走行轮、异型走行轮以及刹制走行轮、减震走行轮、可调节走 行轮和轻型走行轮、中型走行轮、重型走行轮等。 应用行业 工业、商业、医疗器械以及机械、物流运输、环保清洁用品、家具行业、美容器械、 食品机械、五金生产等各行业。 走行轮材质 主要分为超级人造胶走行轮、聚氨酯走行轮、塑料走行轮、尼龙走行轮、钢铁走行轮、 耐高温走行轮、等。 性能 特点 超级人造 胶 聚氨酯 尼龙 钢铁 耐高温轮 承载 （kg） 27502 311905 1001400 1812040 270450 适用 温度 （） - 4385 - 4385 - 4385 - 43126 - 43180 轮硬65(5)a 55(5)d 毕业设计论文 致谢、参考文献 15 15 度 转动 灵活性 优 优 优 优 优 转动 宁静 优 优 一般 差 良 地板 保护 优 优 一般 差 良 无轮 印 无 无 无 无 无 耐冲 击 优 优 良 良 优 耐磨 损 优 优 良 优 优 防水 性能 优 优 差 差 优 防化 学品性能 优 优 良 良 优 安装高度：指从地面到设备安装位置之间的垂直距离，走行轮的安装高度是指与走行 轮底板与轮子边远最大的垂直距离。 支架转向中心距：指中心垂直线到轮芯中心的水平距离。 转动半径：指中心垂直线到轮胎外边缘的水平距离，适当的间距令走行轮能作 360 度 转向。转动半径的合理与否直接影响到走行轮的使用寿命。 行驶负荷：走行轮在移动时承重能力也称动负荷，走行轮的动负荷因工厂的试验方式 不同而有所差别，也因轮子的材料不同而不同，关键在于支架的结构和质量是否能够抗冲 击和震荡。 冲击负荷：当设备受到承载物冲击或震动时走行轮的瞬间承重能力。 静态负荷静态负 荷静态负荷静态负荷：走行轮在静止状态下能承受的重量。静态负荷一般情况应为行使负 毕业设计论文 致谢、参考文献 16 16 荷（动承载）的 56 倍，静态负荷至少应是冲击负荷的 2 倍。 转向：硬质、窄小的轮子比软质、宽的轮子较易转向。转动半径是轮子转动的一个重 要参数，转动半径过短会增加转向难度，过大则会导致轮子晃动及寿命缩短。 行驶灵活性：影响走行轮行驶灵活性的因素有支架的结构和支架钢材的选用、轮子的 大小、轮子类型、轴承等，轮子越大行驶灵活性越好，在平稳地面上硬质、窄小的轮比平 边软质的轮子省力，但在不平的地面上软质的轮子省力，但在不平的地面上软质的轮子能 更好地保护设备并避震！ 最简单的发明往往最重要，走行轮正具备这种特性。同时一个城市的发达程度高低往 往与走行轮使用多少成正相关，像上海、北京、天津、重庆、无锡、成都、西安、武汉、 广州、佛山、东莞、深圳等城市的走行轮使用率就非常高。 走行轮的构造由单轮装在支架上而成，用于安装在设备下面令其自由移动。走行轮主 要分为两大类： （1）固定走行轮 固定支架配上单轮，只能沿直线移动。 （2）活动走行轮 360 度转向的支架配上单轮，能随意向任何方向行驶。 走行轮的单轮种类繁多，在大小、型号、轮胎面等各不相同。选择合适的轮子取于以 下几个条件： （1） 使用场地环境。 （2） 产品的载重量 （3） 工作环境中含有化学品、血、油脂、机油、盐等物质。 （4） 各种特殊气候，如湿度、高温或严寒 （5）抗冲击、碰撞和行驶宁静的要求。 车轮选择 1、选择车轮材质：首先考虑使用路面的大小，障碍物、使用场地上残留物质（如铁屑、 油脂），所处环境状况（如高温、常温或低温）及车轮所能承载的重量等不同条件来决定 选择适合的车轮材质。例如：橡胶轮不能耐酸、油脂和化学品，超级聚氨脂轮、高强度聚 氨脂轮、尼龙轮、钢铁轮和耐高温轮则能适用于不同的特殊环境。 2、计算承载重量：为了能够计算出各种走行轮需要的载重能力，必须知道运输设备自 重、最大荷重和所用单轮和走行轮的数量。一个单轮或走行轮所需的载重能力计算如下： t=(e+z)/mn： 毕业设计论文 致谢、参考文献 17 17 - - - t=单轮或走行轮所需承载重量； - - - e=运输设备的自重； - - - z=最大荷重； - - - m=所用单轮和走行轮的数量； - - - n=安全系数（约 1.31.5）。 3、决定轮径大小：通常车轮直径愈大愈容易推动，荷重能力也愈大同时也较能保护地 面不受损坏，轮径大小的选择首先应考虑承载的重量和荷重下搬运车的起动推力来决定。 4、车轮材质软硬的选择：通常车轮有尼龙轮、超级聚氨脂轮、高强度聚氨脂轮、高强 度人造胶轮、铁轮、打气轮。超级聚氨脂轮、高强度聚氨脂轮不论在室内室外的地面行驶， 都能满足你的搬运要求；高强度人造胶轮则能适用于酒店、医疗器械、楼层、木地板、瓷 砖地面等要求行走时噪音小宁静的地面上行驶；尼龙轮、铁轮适用于地面不平或地面上有 铁屑等物质的场地；而打气轮则适用于轻荷重及路面软不平坦的场合。 5、转动灵活性：单轮越大转动就越省力，滚柱轴承能载较重的负载，转动时阻力较大： 单轮安装上优质的（轴承钢）滚珠轴承，能承载较重的负荷，转动更轻便，灵活宁静。 6、 温度状况： 严寒和高温的场合对走行轮的影响很大， 聚氨脂轮在零下 45下的低温， 转动灵活自如，耐高温轮在高温 275下转动轻便。 特别注意：因为 3 点确定一个平面，当所用走行轮数量为多个时，载重量应按 3 个计 算。 3.7.2 轴的作用及类型轴的作用及类型 轴是穿在轴承中间或车轮中间或齿轮中间的圆柱形物件，但也有少部分是方型的。轴 是支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。一般为金属圆杆状， 各段可以有不同的直径。机器中作回转运动的零件就装在轴上。 材料使用：材料使用： 1、碳素钢 35、45、50 等优质碳素结构钢因具有较高的综合力学性能，应用较多，其中以 45 钢用 得最为广泛。 为了改善其力学性能，应进行正火或调质处理。不重要或受力较小的轴，则可采用 q235、q275 等碳素结构钢。 毕业设计论文 致谢、参考文献 18 18 2、合金钢 合金钢具有较高的力学性能，但价格较贵，多用于有特殊要求的轴。 例如采用滑动轴承的高速轴，常用 20cr、20crmnti 等低碳合金结构钢，经渗碳淬火后 可提高轴颈耐磨性； 汽轮发电机转子轴在高温、高速和重载条件下工作，必须具有良好的高温力学性能， 常采用 40crni、38crmoala 等合金结构钢。 轴的毛坯以锻件优先、其次是圆钢； 尺寸较大或结构复杂者可考虑铸钢或球墨铸铁。 例如，用球墨铸铁制造曲轴、凸轮轴，具有成本低廉、吸振性较好，对应力集中的敏 感性较低、强度较好等优点。 轴的力学模型是梁、多数要转动，因此其应力通常是对称循环。 其可能的失效形式有：疲劳断裂、过载断裂、弹性变形过大等。 轴上通常要安装一些带轮毂的零件，因此大多数轴应作成阶梯轴，切削加工量大。 结构设计：结构设计： 轴的结构设计是确定轴的合理外形和全部结构尺寸，为轴设计的重要步骤。它由轴上 安装零件类型、尺寸及其位置、零件的固定方式，载荷的性质、方向、大小及分布情况， 轴承的类型与尺寸，轴的毛坯、制造和装配工艺、安装及运输，对轴的变形等因素有关。 设计者可根据轴的具体要求进行设计，必要时可做几个方案进行比较，以便选出最佳设计 方案，以下是一般轴结构设计原则： 1、节约材料，减轻重量，尽量采用等强度外形尺寸或大的截面系数的截面形状； 2、易于轴上零件精确定位、稳固、装配、拆卸和调整； 3、采用各种减少应力集中和提高强度的结构措施； 4、便于加工制造和保证精度。 技术要求技术要求 1、加工精度 1)尺寸精度 轴类零件的尺寸精度主要指轴的直径尺寸精度和轴长尺寸精度。按使用要 求，主要轴颈直径尺寸精度通常为 it6- it9 级，精密的轴颈也可达 it5 级。轴长尺寸通常规 定为公称尺寸，对于阶梯轴的各台阶长度按使用要求可相应给定公差。 毕业设计论文 致谢、参考文献 19 19 2)几何精度 轴类零件一般是用两个轴颈支撑在轴承上，这两个轴颈称为支撑轴颈，也 是轴的装配基准。除了尺寸精度外，一般还对支撑轴颈的几何精度（圆度、圆柱度）提出 要求。对于一般精度的轴颈，几何形状误差应限制在直径公差范围内，要求高时，应在零 件图样上另行规定其允许的公差值。 3)相互位置精度 轴类零件中的配合轴颈（装配传动件的轴颈）相对于支撑轴颈间的同 轴度是其相互位置精度的普遍要求。通常普通精度的轴，配合精度对支撑轴颈的径向圆跳 动一般为 0.01- 0.03mm，高精度轴为 0.001- 0.005mm。 此外，相互位置精度还有内外圆柱面的同轴度，轴向定位端面与轴心线的垂直度要求 等。 2、表面粗糙度 根据机械的精密程度，运转速度的高低，轴类零件表面粗糙度要求也不相同。一般情 况下，支撑轴颈的表面粗糙度 ra 值为 0.63- 0.16 m ；配合轴颈的表面粗糙度 ra 值为 2.5- 0.63 m 加工工艺加工工艺 1、轴类零件的材料 轴类零件材料的选取，主要根据轴的强度、刚度、耐磨性以及制造工艺性而决定，力 求经济合理。 常用的轴类零件材料有 35、45、50 优质碳素钢，以 45 钢应用最为广泛。对于受载荷 较小或不太重要的轴也可用 q235、q255 等普通碳素钢。对于受力较大，轴向尺寸、重量 受限制或者某些有特殊要求的可采用合金钢。如 40cr 合金钢可用于中等精度，转速较高的 工作场合，该材料经调质处理后具有较好的综合力学性能；选用 cr15、65mn 等合金钢可 用于精度较高，工作条件较差的情况，这些材料经调质和表面淬火后其耐磨性、耐疲劳强 度性能都较好；若是在高速、重载条件下工作的轴类零件，选用 20cr、20crmnti、20mn2b 等低碳钢或 38crmoa1a 渗碳钢，这些钢经渗碳淬火或渗氮处理后，不仅有很高的表面硬 度，而且其心部强度也大大提高，因此具有良好的耐磨性、抗冲击韧性和耐疲劳强度的性 能。 球墨铸铁、高强度铸铁由于铸造性能好，且具有减振性能，常在制造外形结构复杂的 轴中采用。特别是我国研制的稀土镁球墨铸铁，抗冲击韧性好，同时还具有减摩、吸 振，对应力集中敏感性小等优点，已被应用于制造汽车、拖拉机、机床上的重要轴类零件。 毕业设计论文 致谢、参考文献 20 20 2、轴类零件的毛坯 轴类零件的毛坯常见的有型材（圆棒料）和锻件。大型的，外形结构复杂的轴也可采 用铸件。内燃机中的曲轴一般均采用铸件毛坯。 型材毛坯分热轧或冷拉棒料，均适合于光滑轴或直径相差不大的阶梯轴。 锻件毛坯经加热锻打后，金属内部纤维组织沿表面分布，因而有较高的抗拉、抗弯及 抗扭转强度，一般用于重要的轴。 加工方法加工方法 1、外圆表面的加工方法及加工精度 轴类、套类和盘类零件是具有外圆表面的典型零件。外圆表面常用的机械加工方法有 车削、磨削和各种光整加工方法。车削加工是外圆表面最经济有效的加工方法，但就其经 济精度来说，一般适于作为外圆表面粗加工和半精加工方法；磨削加工是外圆表面主要精 加工方法，特别适用于各种高硬度和淬火后的 零件精加工；光整加工是精加工后进行的超精密加工方法（如滚压、抛光、研磨等）， 适用于某些精度和表面质量要求很高的零件。 由于各种加工方法所能达到的经济加工精度、表面粗糙度、生产率和生产成本各不相 同，因此必须根据具体情况，选用合理的加工方法，从而加工出满足零件图纸上要求的合 格零件。 序号 加工方法 经济精度 （公差等级） 经济粗糙度 ra 值/ m 适用范围 1 粗车 it13- it11 50- 12.5 适用于淬火钢以外的各种金属 2 粗车 - 半精车 it10- it8 6.3- 3.2 3 粗车 - 半精车- 精车 it8- it7 1.6- 0.8 4 粗车 - 半精车- 精车- 滚压 it8- it7 0.2- 0.025 5 粗车 - 半精车- 磨削 it8- it7 0.8- 0.4 主要用于淬火钢，也可用于未淬火钢，但不适用 于有色金属 6 粗车 - 半精车- 粗磨- 精磨 it7- it6 0.4- 0.1 7 粗车 - 半精车- 粗磨- 精磨- 超精加工（或轮式超精磨） it5 0.1- 0.012 （或 rz 0.1） 8 粗车 - 半精车- 精车- 精细车（金刚车） it7- it6 0.4- 0.025 主要用于要求较高的有色 金属 毕业设计论文 致谢、参考文献 21 21 9 粗车 - 半精车- 粗磨- 精磨- 超精磨（或镜面磨） it5 以上 0.025- 0.006 （或 rz 0.1） 极高精度的外圆加工 10 粗车 - 半精车- 粗磨- 精磨- 研磨 it5 以上 012 （或 rz 0.1） 2、外圆表面的车削加工 (1)外圆车削的形式 轴类零件外圆表面的主要加工方法是车削加工。主要的加工形式有： 荒车 自由锻件和大型铸件的毛坯，加工余量很大，为了减少毛坯外圆形状误差和位置 偏差，使后续工序加工余量均匀，以去除外表面的氧化皮为主的外圆加工，一般切除余量 为单面 1- 3mm。 粗车 中小型锻、铸件毛坯一般直接进行粗车。粗车主要切去毛坯大部分余量（一般车 出阶梯轮廓），在工艺系统刚度容许的情况下，应选用较大的切削用量以提高生产效率。 半精车 一般作为中等精度表面的最终加工工序， 也可作为磨削和其它加工工序的预加 工。对于精度较高的毛坯，可不经粗车，直接半精车。 精车 外圆表面加工的最终加工工序和光整加工前的预加工。 精细车 高精度、 细粗糙度表面的最终加工工序。 适用于有色金属零件的外圆表面加工， 但由于有色金属不宜磨削，所以可采用精细车代替磨削加工。 但是，精细车要求机床精度高，刚性好，传动平稳，能微量进给，无爬行现象。车削 中采用金刚石或硬质合金刀具，刀具主偏角选大些（ 45 o - 90 o ）,刀具的刀尖圆弧半径小 于 0.1- 1.0mm， 以减少工艺系统中弹性变形及振动。 (2)车削方法的应用 1）普通车削 适用于各种批量的轴类零件外圆加工，应用十分广泛。单件小批量常采 用卧室车床完成车削加工；中批、大批生产则采用自动、半自动车床和专用车床完成车削 加工。 2)数控车削 适用于单件小批和中批生产。应用愈来愈普遍，其主要优点为柔性好，更 换加工零件时设备调整和准备时间短；加工时辅助时间少，可通过优化切削参数和适应控 制等提高效率；加工质量好，专用工夹具少，相应生产准备成本低；机床操作技术要求低， 不受操作工人的技能、视觉、精神、体力等因素的影响。对于轴类零件，具有以下特征适 宜选用数控车削。 毕业设计论文 致谢、参考文献 22 22 结构或形状复杂，普通加工操作难度大，工时长，加工效率低的零件。 加工精度一致性要求较高的零件。 切削条件多变的零件，如零件由于形状特点需要切槽，车孔，车螺纹等，加工中要多 次改变切削用量。 批量不大，但每批品种多变并有一定复杂程度的零件。 对带有键槽，径向孔（含螺钉孔）、端面有分布的孔（含螺钉孔）系的轴类零件，如 带法兰的轴，带键槽或方头的轴，还可以在车削加工中心上加工，除了能进行普通数控车 削外，零件上的各种槽、孔（含螺钉孔）、面等加工表面也可一并能加工完毕。工序高度 集中，其加工效率较普通数控车削更高，加工精度也更为稳定可靠。 （3）外圆表面的磨削加工 用磨具以较高的线速度对工件表面进行加工的方法称为磨削。磨削加工是一种多刀多 刃的高速切削方法，它使用于零件精加工和硬表面的加工。 磨削的工艺范围很广，可以划分为粗磨、精磨、细磨及镜面磨。 磨削加工采用的磨具（或磨料）具有颗粒小，硬度高，耐热性好等特点，因此可以加 工较硬的金属材料和非金属材料，如淬硬钢、硬质合金刀具、陶瓷等；加工过程中同时参 与切削运动的颗粒多，能切除极薄极细的切屑，因而加工精度高，表面粗糙度值小。磨削 加工作为一种精加工方法，在生产中得到广泛的应用。由于强力磨削的发展，也可直接将 毛坯磨削到所需要的尺寸和精度，从而获得了较高的生产率。 3.7.3 轴与轮的配合结构轴与轮的配合结构 其结构示意图如图 3.7.3 所示： 毕业设计论文 致谢、参考文献 23 23 1.走行轮支撑座 2.带立式座外球面轴承 3.轴 4.螺栓 5.平垫 6.弹簧垫 7.链轮 图：3.7.3 轴的计算及校核：轴的计算及校核： 轴的强度计算的步骤为： 一、轴的强度计算 1、按扭转强度条件初步估算轴的直径 机器的运动简图确定后，各轴传递的 p 和 n 为已知，在轴的结构具体化之前，只能计 算出轴所传递的扭矩，而所受的弯矩是未知的。这时只能按扭矩初步估算轴的直径，作为 轴受转矩作用段最细处的直径 dmin，一般是轴端直径。 根据扭转强度条件确定的最小直径为： （mm） 式中：p 为轴所传递的功率（kw） n 为轴的转速（r/min） ao 为计算系数 若计算的轴段有键槽，则会削弱轴的强度，此时应将计算所得的直 毕业设计论文 致谢、参考文献 24 24 径适当增大，若有一个键槽，将 dmin 增大 5，若同一剖面有两个键槽，则增大 10。 以 dmin 为基础，考虑轴上零件的装拆、定位、轴的加工、整体布局、作出轴的结构设 计。在轴的结构具体化之后进行以下计算。 2、按弯扭合成强度计算轴的直径 l）绘出轴的结构图 2）绘出轴的空间受力图 3）绘出轴的水平面的弯矩图 4）绘出轴的垂直面的弯矩图 5）绘出轴的合成弯矩图 6）绘出轴的扭矩图 7）绘出轴的计算弯矩图 8）按第三强度理论计算当量弯矩： 式中：为将扭矩折合为当量弯矩的折合系数，按扭切应力的循环特性取值: a）扭切应力理论上为静应力时，取=0.3。 b）考虑到运转不均匀、振动、启动、停车等影响因素，假定为脉动循环应力 ，取 =0.59。 c）对于经常正、反转的轴，把扭剪应力视为对称循环应力，取 =1（因为在弯矩作 用下，转轴产生的弯曲应力属于对称循环应力）。 9）校核危险断面的当量弯曲应力（计算应力）： 式中：w 为抗扭截面摸量（mm3）。 为对称循环变应力时轴的许用弯曲应力，查表 1。 如计算应力超出许用值，应增大轴危险断面的直径。如计算应力比许用值小很多，一 般不改小轴的直径。因为轴的直径还受结构因素的影响。 一般的转轴，强度计算到此为止。对于重要的转轴还应按疲劳强度进行精确校核。此 外，对于瞬时过载很大或应力循环不对称性较为严重的轴，还应按峰尖载荷校核其静强度， 以免产生过量的塑性变形。 毕业设计论文 致谢、参考文献 25 25 二、按疲劳强度精确校核 按当量弯矩计算轴的强度中没有考虑轴的应力集中、轴径尺寸和表面品质等因素对轴 的疲劳强度的影响，因此，对于重要的轴，还需要进行轴危险截面处的疲劳安全系数的精 确计算，评定轴的安全裕度。即建立轴在危险截面的安全系数的校核条件。 安全系数条件为： 1.31.5 用于材料均匀，载荷与应力计算精确时； 1.51.8 用于材料不够均匀，载荷与应力计算精确度较低时； 1.82.5 用于材料均匀性及载荷与应力计算精确度很低时或轴径200mm 时。 三、按静强度条件进行校核 静强度校核的目的在于评定轴对塑性变形的抵抗能力。这对那些瞬时过载很大，或应 力循环的不对称性较为严重的的轴是很有必要的。轴的静强度是根据轴上作用的最大瞬时 载荷来校核的。 静强度校核时的强度条件是： 式中：危险截面静强度的计算安全系数； 按屈服强度的设计安全系数； 1.21.4，用于高塑性材料（0.6）制成的钢轴； 1.41.8，用于中等塑性材料（0.60.8）制成的钢 轴； 毕业设计论文 致谢、参考文献 26 26 1.82，用于低塑性材料制成的钢轴； 23，用于铸造轴； 只考虑安全弯曲时的安全系数； 只考虑安全扭转时的安全系数； 式中：、材料的抗弯和抗扭屈服极限，mpa；其中(0.550.62)； mmax、tmax轴的危险截面上所受的最大弯矩和最大扭矩，n.mm； famax轴的危险截面上所受的最大轴向力，n； a轴的危险截面的面积，m； w、wt分别为危险截面的抗弯和抗扭截面系数，m。 四、轴的设计用表 材料牌号 毛坯直 径 （mm） 硬 度 (hbs) 抗 拉 强 度极限b 屈服强 度极限s 许 用 弯 曲 应力- 1 备注 q235a 100 400420 225 40 用于不重 要及受载荷不 大的轴 10025 0 375390 215 45 10 1702 17 590 295 55 应用最广 泛 10030 0 1622 17 570 285 200 2172640 355 60 毕业设计论文 致谢、参考文献 27 27 55 40cr 100 10030 0 2412 86 735 685 540 490 70 用于载荷 较大， 而无很大 冲击的重要轴 40crni 100 10030 0 2703 00 2402 70 900 785 735 570 75 用于很重 要的轴 38simnmo 100 10030 0 2292 86 2172 69 735 685 590 540 70 用于重要 的轴， 性能近于 40crni 38crmoala 60 60100 10016 0 2933 21 2773 02 2412 77 930 835 785 785 685 590 75 用于要求 高耐磨性， 高强 度且热处理 （氮 化） 变形很小的 轴 20cr 60 渗 碳 5662hrc 640 390 60 用于要求 强度及韧性均 较高的轴 3cr13 100 241 835 635 75 用于腐蚀 条件下的轴 1cr18ni9ti 100 192 530 195 45 用于高低 温及腐蚀条件 下的轴 100200 490 qt600- 3 1902 70 600 370 用于制造 复杂外形的轴 毕业设计论文 致谢、参考文献 28 28 qt800- 2 2453 35 800 480 表 2 零件倒角 c 与圆角半径 r 的推荐值 直径 d 610 1018 183030505080 8012 0 120180 c 或 r 0 .5 0 .6 0.8 1.0 1 .2 1 .6 2.0 2.5 3.0 表 3 轴常用几种材料的和 a0 值 轴的 材料 q235 1cr18ni9 ti 35 45 40cr,35simn,2cr13,20crmnti 12 20 1225 20 30 30 40 4052 a0 160 135 148125 135 118 1